俞晓勇　高树亮　韦凯军　覃耿宇　郜　晗

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

主动进气格栅技术研究

俞晓勇高树亮韦凯军覃耿宇郜晗

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

随着主动进气格栅技术在汽车上的逐步使用，主动进气格栅的技术优势逐步体现，文章阐述了主动进气格栅对整车行驶阻力的优化和整车热控制的相关影响，并以线性回归模型的方法对主动进气格栅的标定方法进行了初步探索。

主动进气格栅；性能；标定

1　简介

早在20世纪20年代可变格栅已应用在一些车（如1929年的劳斯莱斯，二十世纪二三十年代的帕卡德）上，尽管早期的可变格栅完全采用机械、人工的方式改变格栅开度，但仍可起到初步的快速暖机、保护冷却总成的作用［1］。2000年以后，随着油耗法规的日益加严，行驶阻力的优化成为推动现代主动进气格栅（Active Grille System，AGS）技术发展的主要驱动力，由于其成本相对较低，节油效果明显的特点，目前已在欧洲及北美汽车市场普及应用，它通过在行驶过程中合理控制前进气格栅的开度，达到调节进入发动机舱冷却风量的目的，降低行驶过程中的内循环阻力，提升整车燃油经济性［2］。同时AGS系统能够改善发动机暖机过程中的排放，提升整车驾驶性能，已在国外中高端车型中普遍应用，国内自主品牌目前也展开了对AGS技术工程化的研究。

AGS的开发能够为车辆带来燃油经济性、空调性能、风燥等多方面的性能提升。在各自有关领域经常有其他更有效的措施。在整车厂，主动进气格栅的开发和应用涉及多个部门（车身，冷却，电子及CAE等）。由于现行标准的行驶工况（NEDC），至少在欧洲和美国，不能反映实际驾驶中以更高速度行驶的比例，所以要使用跨部门团队来真实的评估成本与收益。法规将把这考虑在内，例如通过为主动空气动力学组件给予独立的单车及平均油耗优惠［3-5］。

2　AGS系统设计

在AGS早期设计阶段，如图1示的概念设计完成后，可以获得对AGS模块预期的漏风量的第一次评估。将使用静态的有限元素法计算，应用与不同假定车辆速度同等的力加载到叶片。随着变形的叶片外形，风载引起的空隙可以被测量，可以被用来计算封闭叶片时的气流泄漏质量。叶片封闭时额外的漏出量是由必要的空隙导致的，与风速无关。漏出量可以通过计算叶片关与开时的流量流比率决定。精确的估计要求使用CFD及FSI工具，需要相当长的研制周期来获得结果［1］。

图1　AGS系统方案

综上所述，通过CFD分析并对早期AGS加装后的缺流漏流区域进行结构设计优化，在改善冷却气流流图同时，进一步提升进风量，改善前后对比效果如图2所示。

图2　Z=0.1m截面处速度云图前后优化对比分析

在优化主动进气格栅造型后，通过冷凝器的空气量增加了9.8%，通过散热器的空气量增加了7%，散热器入口处的冷却液温度降低了2.12℃。

3　行驶阻力优化研究

AGS系统主要用来通过控制冷却空气流来改进车辆气动阻力。由于冷却系统是设计用来即使在最差的驾驶条件下也能提供足够冷却风量的，在所有其他驾驶条件下，有多余的气流和因此带来的阻力的增加。尤其在中高速时，格栅叶片的关闭能够带来明显的风阻优化，改善二氧化碳的排放［6］。

行驶阻力的测量通过安装在车内的滑行阻力测试设备来实现测量，测量方法为格栅开度全开、全闭2次测量对比分析，试验方法参照整车滑行阻力要求进行。行驶阻力与速度的平方成正比（F=Cd*A*1/2pV2，其中，Cd：阻力系数，A：参考迎风面积，1/2pV2：动压），因此行驶阻力功率结果与速度的平方成正比（功率=力*速率），所以，速度越高（＞80KM/H），气动收益越显著。

某车型在AGS全开、全闭状态下的滑行阻力实测曲线及功率优化如图3、图4所示：

图3　AGS滑行阻力对比分析

图4　AGS功率优化

由图3、图4分析可知，主动进气格栅在整个滑行区间行驶阻力平均优化30.1Nm，优化比例为6.45%，阻力功率平均优化1895W，在中高速区域（速度＞70公里/小时），阻力与功率优化效果极为明显。

4　AGS对传动系统冷却性能影响研究

设计基于传动系统的冷却系统的最初输入是基于涵盖了较为宽泛范围的特殊测试条件。经典的测试条件包括在高温度及高负荷驾驶。其他测试包括高外界温度下城市低速交通测试及高速测试（160km/h或更高）［7］。这些极端测试条件对于判定冷却要求的气流及冷却系统参数是有必要的。格栅的实施将降低空气通过冷却模块的数量。所以，格栅控制策略有对冷却系统的性能产生负面影响的潜在风险。然而，为了改善整车燃油经济成效，选择格栅最优开度使其在维持发动机冷却剂、发动机润滑油及传动润滑油低于它们的温度极限值的同时达成最大化燃油经济成效的目标。综上所述，AGS的控制策略直接决定了是否能够在满足整车冷却性能最低需求的同时达成燃油经济性最大化。

4.1开度控制方案与设计

图5　AGS开度控制模型

在MultiPos_cal和Veh_AeroDynamic_cal模型中均需要建立基于车速vD、风扇状态ns、格栅开度θa不同状态下对应的空气流量Qa的Map图（LUT_AirFlow），以用于AGS开度控制模型计算。

其中，VD标定范围为0～200Km/h，以10Km/h为标定区间，共21个标定点；ns标定范围为0～100%，以20%为标定区间，共6个标定点；θa标定范围为0～100%，以10%为标定区间，共15个标定点。采用传统标定方法共需进行1890组标定试验。本文通过引入中心组合设计（CCD）方法进行DOE设计，通过二次多项式回归方程建立车速-格栅开度-风扇状态的三因素风量预测模型，实现格栅开度Map图的标定。

以车速X1、风扇状态X2、格栅开度X3为试验因素，采用Design Expert8.0进行二次回归中心组合试验设计［8］，各因素及水平的试验设计见表1。

表1　风量因素水平编码表

标定方案及试验结果见表2。

表2　试验设计及结果

4.2回归模型及结果分析

对实验数据进行多项拟合回归，建立基于车速、风扇状态、格栅开度的风量预测回归模型方程，见式1。

对回归模型方程进行方差分析，F值为42.8，P值＜0.0001，表明自变量和因变量间有极显著的相关关系，拟合水平良好；对预测模型的拟合度进行检验，回归判定系数达到96.289%，体现出回归模型方程与试验数据整体符合程度较高，表明该模型可用于AGS的冷却风量预测。

图6　模型响应曲面分析图

模型中各因素对风量的影响如图6所示。空气流量随车速、风扇速度、格栅开度的增加而增大，由图6（a）、（b）分析可知，车速对于空气流量影响显著，在AGS开度控制模型中应优先考虑利用车速满足发动机舱的冷却风量需求。由图6（c）分析可知，在车速较低时，格栅开度对空气流量影响显著，在AGS开度控制模型中当车速低于V_critical时，应优先采用格栅开启角度满足冷却风量需求。

5　结论及未来前景

目前，AGS系统在改进空气动力学及燃油经济性提升方面正在为越来越多的整车厂所采用，而AGS系统所带来的额外收益也越来越被各个整车厂所重视。未来，AGS的应用将延伸至汽油及柴油发动机的混合驱动汽车及电动车上，应用AGS不仅为了改善空气动力学，也为了控制电池冷却。本文通过引入中央组合设计方法实现对AGS多开度控制Map图的标定，建立了冷却需求预测模型及车速-开度-风扇状态-风量响应曲面，对显著影响冷却风量的因素进行了理论分析。模型F值为42.8，P值＜0.0001，回归判定系数达到96.289%，结果表明，该方法可用于准确预测冷却需求并优化设计AGS匹配标定方案。

［1］ Scott Charnesky， Gregory Fadler，Thomas Lockwood. Variable and Fixed Airflow for Vehicle Cooling［C］.SAE2011-01-1340，2011.

［2］ Alaa E. El-Sharkawy， Joshua C. Kamrad， et al. Evaluation of Impact of Active Grille Shutter onVehicle Thermal Management［C］.SAE 2011-01-1172， 2011.［3］ Rashad Mustafa， Mirko Schulze， et al. Improved Energy Management Using Engine Compartment Encapsulation and Grille Shutter Control［C］. SAE 2012-01-1203， 2012.

［4］ Richard Burke，Chris Brace.The Effects of Engine Thermal Conditions on Performance，Emissions and Fuel Consumption［C］.SAE 2010-01-0802，2010.

［5］ Bing Xu， Michael Leffert. Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan［C］.SAE 2013-01-0857，2013.

［6］ Hussein Jama，Simon Watkins，et al.Reduced Drag and Adequate Cooling for Passenger Vehicles Using Variable Area Front Air Intakes［C］.SAE 2006-01-0342， 2006.

［7］ Bing Xu，Michael Leffert，et al.Fuel Economy Impact of Grille Opening and Engine Cooling Fan Power on a Mid-Size Sedan［C］. SAE 2013-01-0857，2013.

［8］ Michael Duoba. Ambient Temperature （20°F，72°F and 95°F）Impact on Fuel and Energy Consumption for Several Conventional Vehicles，Hybrid and Plug-In Hybrid Electric Vehicles and Battery Electric Vehicle［C］.SAE 2013-01-1462，2006.

Research on active air intake grid technology

Active grille technology is reflected as advantage in automobile while it is used progressively. This article discusses the active grille related to the vehicle driving resistance and vehicle thermal control， builds the linear regression model of active grille calibration method has carried on the preliminary exploration.

Active air inlet grille； performance； calibration

U461

A

1008-1151（2016）03-0057-03

2016-02-10

俞晓勇（1984-），福建福清人，供职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，研究方向为汽车空调系统及发动机冷却系统。